Гигантские ЖРД ракеты. Возможны или нет?

[Konstantin Schtsch]

Я имел в виду, что хотят поднять скорость истечения в 10...100 раз, и тогда ,v/u= 15...1,5. Если удастся утилизировать несколько десятков процентов энергии деления, то по крайней мере с энергетической точки зрения это возможно, тем более если несколько уменьшить требования по достижимой конечной скорости.

а я и пересчитал в 50 раз. получилось 360 масс солнца. Хотите ровно в 100? ну, удвойте знаменатель .

При таких расходах - с энергетической точки зрения реактивная масса во столько раз перевешивает массу ядерного топлива - что можно чем угодно топить, это ничего не изменит.
Требуемая масса сожжённого урана-235 около 8.0×10²⁷ кг, ~4 массы солнца. при расходе 360. для 5% световой.

А вот ЖРД уже не комильфо - для полного сгорания 4.6×10³³ кг водорода по реакции с кислородом потребуется около 3.6×10³⁴ кг кислорода. Общая масса топлива (водород + кислород) составит примерно 4.1×10³⁴ кг.
Этов 200 раз больше... увы, сколь угодно большая ЖРД к звёздам- никак.

[Николаев Александр]

Ваш вопрос в рамках другой темы Техническая возможность межзвёздных перелётов
В этой теме о ЖРД ближайшего будущего, о том возможно ли запускать с Земли гигантские ЖРД.

Неа, меня интересовал кпд ракеты стартующей с планеты)

[alex_semenov]

Неа, меня интересовал кпд ракеты стартующей с планеты

Я как-то считал для разных ракет от Р-7 со спутником до шаттла. При этом я считал КПД как отношение E/Q.

E - кинетическая энергия всей выведенной массы (не только полезной нагрузки, так при запуске первого спутника я брал 7 тонн второй пустой ракеты тоже) и энергия подъёма на высоту орбиты (она незначительная поправка, можно было бы и не учитывать по сравнению с кинетической энергией орбитального вращения).

Q - вся теплота сгорания заправленного в ракету топлива. То есть вся потенциальная энергия заправленная и растраченная в ходе процесса.

Да, с ракетами такой расчёт усложняется тем, что у них сухая масса на старте и выведенная на орбиту отличается. Она отбрасывает ступени. Но учитывая, что это били обычно всего две ступени, но думаю, сути это не меняет.

Так вот у всех ракет-носителей, выталкивающих груз на НОО с Земли, очень близкий КПД 10-15%. Не более.

Интересно что у типичной артиллерийской системы (военной) как раз примерно такой КПД (от сгоревшего пороха, до кинетической энергии вложенной в цель, скажем, противотанковая пушка).
То есть все наши "мирные" ракеты на самом деле есть КОНВЕРСИЯ военных систем (они остаются баллистическими ракетами как бы не рядились в ракеты-носители).
О чём говорит еще такой КПД умному инженеру? Что по-идее есть явный потенциал для роста. Нормальный общий КПД транспортной системы обычно это ~30%. 1/3 - полезная, 2/3 -расплата второму началу термодинамики.  То есть можно сказать что реальный запас инженерного роста - двукратная экономия. А выше - это уже бзики (да хорошо бы, но ставьте реальные цели).

За счёт чего можно взять эту "половину"? Как удвоить выводимую на орбиту массу при той же стартовой (и запасе энергии в баках)?
Мы знаем что реальная ракета, выходящая на орбиту имеет запас топлива для разгона не до 8 км/с а до 9.4 км/с. То есть 1,4 км/с - это расходы на всякого рода потери связанные с атмосферой и гравитацией (если бы этого не было то мы бы в пустоте и без гравямы получили бы 8 км/с, а так гравяма и атмосфера съедает 1.4 км/с)

Давайте считать. Рассмотрим две скорости истечнеия 3.5 км/с (метан-кислород) и 4.5 км/с (водород-кислород).
Ракета одноступенчатая. По ф. Ц. считаем Z для двух скоростей  8 км/с и 9,4 км/с

u=3,5 км/с. 8 км/с Z₁ = e(8/3,5) = 9,8; Z₂ = e(9,4/3,5) = 14,7
u=4,5 км/с. 8 км/с Z₁ = e(8/4,5) = 5,9; Z₂ = e(9,4/4,5) = 8,1

То есть, если бы не потери связанные с гравитацией и атмосферой, то при 3,5 км/с мы выводили бы в 1,5 раз больше груза при одной и той же стартовой массе, а при 4.5 км/с (водород) в 1,36 раз.
Взяв типичный КПД ракеты в 15% можно прикинуть что устранив баллистические потери мы могли бы поднять КПД ракет до 22-20%. И это, видимо предел для химии.
Дело в том что КПД ракеты как движителя в вакууме в идеале максимум 0,64. Если умножить на КПД двигателя 0.8 (очень высокий) то получаем 0,512.
Значит все остальные потери уже за счёт недостаточной скорости истечения у химии.

[Алексей Николаевич.]

В старой книжке читал, помню картинку.
Паровоз, а сзади сопла и он поднимается.
То есть, 10-15% КПД это данность для ракеты - носителя при выводе на орбиту.
Интересно, а других то способов на данном этапе и нет.
Орудиями электромагнитными можно было бы, (некритичную к динамике) мелкую нагрузку выводить, но вот что то не пошла идея то...

[alex_semenov]

Я тут подумал, пока сидел без электричества (оказывается, полезная процедура, оставить человека наедине с его мыслями на пару часов и желательно в полной темноте!) и понял что всё что я написал- фигня. Ну не всё. Но там - ошибки.
Первое. Давайте УСТРОЖИМ рассуждения. Нельзя многоступенчатую ракету сравнивать с одноступенчатой. Именно потому что разгоняемая масса, то есть ПОЛЕЗНАЯ РАБОТА у каждой ступени - своя. И тогда в принципе нельзя вывести КПД для многоступенчатой ракеты корректно. Это именно тот случай, когда Моисеев от части (очень отчасти) прав! Коровы с теплоходами складываем.

Второе. Собственно говоря, а за чем мы гонимся? Какой смысл искать этот самый КПД? Ну наверное ЛИШЬ только для того что бы его повысить (или включить как параметр оптимизации системы в целом). А зачем нам нужно повышать КПД ракеты вообще? Что это нам даст? Меньший расход горючего? Ну допустим. И? Мы сильно сэкономим? Да, сэкономим, но насколько? Напомню:



Стоимость всего топлива заправляемого в ракету составляет лишь 0,003(3)-ю часть стоимости самой ракеты. То есть 0.3%. Так есть ли смысл экономить на ЭТОМ? Гнаться за каким-то там абстрактным КПД?
Другой разговор, что если бы мы повысили КПД ракеты в 2 раза, это означало бы что мы при прочих равных затратах (на создание самой ракеты, на передстартовое обслуживание или межстартовое обслуживание если система многоразовая) выведем в 2 раза больше массу, а значит и снизить в два раза стоимость кг на орбите.
Но. Если этот так, то сразу вопрос. Если следовать логике выше, то возникает другая идея. А если взять ракету просто побольше? А? Такую же но побольше?
Вы скажете, так большая ракета будет стоить больше, сложней обслуживать, бла-бла-бла...
Да. Но ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ЛИ?
А если вы при той же стартовой массе как-то повысите КПД ракеты в два раза, но чисто технически. Ну например, поставите ЯДЕРНУЮ ступень, которая даёт истечение в 2 раза лучше и есть все шансы выйти на лучший КПД... вы уверены что это ЗАМЕНА не будет вам ничего стоить?
Вы уже знаете. Будет. И очень дорого будет. Атомный двигатель - это куда сложней, опасней и дороже любой химии (даже того гептила с кислотой). Такая овчинка ну явно не будет стоить выделки. Верно?
А вот масштабирование ракеты вверх очень даже может оказаться выгодным в смысле удешевления килограмма груза на орбиту. Например, тот же "Морской дракон", тупая большая водоплавающая ракета делался из нержавейки. Почему? Во-первых дешевле. Во-вторых - можно. Именно из-за размера. Большой размер позволял использовать нержавеющую сталь (как и у Маска на его очень большой ракете, но Дракон был еще больше). Кстати нержавеющую сталь использовали и на "Атласе", но там она была настолько тонкая, что при потере наддува, она складывалась. Здесь же, в "Драконе" сталь могла быть (отношение поверхности к объему позволяло)  не просто держать форму сама по себе, но еще и держать давление до 40 атм внутри, что предполагалось как наддув баков для тупых двигателей с подачей вытеснением (никаких турбин). Это опять таки был подарок, связанный с большим размером. И эта громада обещала вывести на орбиту одним толчком ~500 тонн (и тогда бы давно были бы колонии и на Луне и на Марсе). То есть, тут как раз игра с масштабированием играла положительную роль в цене 1 кг. Особенно в плохо зависящих от размера ракеты расходах, которые были связаны со стартовыми операциями (важен не размер ракеты а количество старов). Хотя КПД ракеты в целом, я думаю там мог быть и 5-7% из-за слишком тупых двигателей. Но нам что надо? Шашечки или ехать?

[alex_semenov]

По поводу КПД многоступенчатой ракеты. Я подумал и понял - корректно считать КПД каждой отдельной субракеты! То есть ступени. При этом верхняя ступень выступает как полезная нагрузка. И вот тут выясниться, что современная двухступенчатая ЖРД... реально энергетически оптимальна при старте на орбиту Земли. Нечего там по-сути оптимизировать!
Это - моя чуйка.
Но можем проверить.
Давайте разобъём всю скорость разгона 9,4 км/с на две подзадачи. Первая ступень разгоняется до 4,4 км/с (все, в основном гравитационные потери и есть смысл списать на первую ступень, то есть фактически она разгоняется до 3 км/с, но она "думает", по расходу топлива что 4.4), а вторая до 5 км/с.
При этом первая ступень у нас метан-кислород. Скорость истечения 3.5 км/с, а вторая водород-кислород, скорость истечения 4.5 (или даже 4.2) км/с или даже пусть опять метан-кислород. И мы сразу увидим что каждая ступень по-сути оказывается для своей скорости-задачи оптимальной. Она разгоняется (сама по-себе) чуть выше чем скорость истечения ее топлива. Это верный признак, что вы близки к энергетическому оптимуму ракеты как движителя в 64,7% (с фиксированной скоростью истечения). Набившая всем тут оскомину уже картинка (кто ее так и не понял - соболезную):



То есть. Не всё, на самом деле так и плохо если ступеней две. Если мы научимся первую и вторую ступень летать по-отдельности (уже учат), то получается, что в тандеме мы имеем оптимальное транспортное средство.  И именно на ЖРД. Не нужны нам бо'льшие скорости истечения для путешествия до орбиты. Тупо не нужны! Имеющиестя ракеты - прекрасны в этом смысле. И значит всякая попытка изобрести нечто похожее, но лучше - провалится. Ну куда лучше то?
Проблема же того, что путь в космос не так прост и дорог, наверное всё же в чём-то другом. Но не в технике.
Хотя уже стало традицией этого века сваливать всё с больной головы на здоровую. Мол, надо изобрести чудо-двигатель и тогда... Мы - дети Галактики! Но самое главное... 

[Алексей Николаевич.]

Хотя КПД ракеты в целом,

Сто процентов, для носителя, да ещё и для уникального дела, КПД двигателей это не важно.
Опять же, простейший пример, паровозы прекрасно ходили, даже совместно с тепловозами довольно долго.
Ибо не в КПД кайф...

[alex_semenov]

Сто процентов, для носителя, да ещё и для уникального дела, КПД двигателей это не важно.
Опять же, простейший пример, паровозы прекрасно ходили, даже совместно с тепловозами довольно долго.
Ибо не в КПД кайф...

Да... Красота же какая!!!



Сразу Свириодв с его "Время-вперёд" в голове играет!
 

Почему КПД двухступенчатой ракеты 10-15%? Потому что не вся стартующая масса выводтся на орбиту. Часть массы, которую разгоняла первая ступень, отпала или вернулась. А затраченная на нее энергия (запарвленного на старе топлив) пошла в знаменатель дроби КПД. И хотя каждая субракета отработала, скажем по 0.75*0.6 =0,45... Очень неплохой КПД 45%! Но "в сумме" получилось 10-15... Ибо большая часть массы, которую разгоняли лишь до половины,  вернулась назад (у Маска и Безоса уже так).

Кстати. Теперь я понял почему у меня у "Короны" получился БЕЗУМНО-высокий КПД....
Счас найду, посчитаю снова и тут допишу...

Вот (попалось по пути) одноступенчатая Корона в сравнении с трехступенчатым Союзом. Оба выводят на одну и ту же орбиту по 5 тонн полезного груза!
Эффектная разница. верно? И это при том что в Короне топливо - водород. Очень неплотный флюид (мерзкий в этом смысле)!



во! Нашёл. Тут цифры видны.



Старотвая масса 270-290 тонн. Берём максимум.
Запас топлива 35 тонн водород
Кислород - 210 тонн.
Больше данных нам и не надо для прикидки. Прежде всего сухая масса (с полезной нагрузкой внутри) 290 - 35 - 210 = 45 тонн. Это то что одноступенчатая ракета выводит на орбиту. Очень грубо, этой массе сообщается 8 км/с ПОЛЕЗНОЙ работы. То есть 45000*80002/2=1,44E+12 Дж.
Теперь ищем теплоту сгорания водорода. Это 140-120 МДж на кг. Берём по-минимуму (выяснится что водород не догорает до конца, так и делают).
120000000 *35000 = 4,2E+12 Дж (Килотонна, кстати, ТНТ). Делим 1,44/4,2 = 0,342857143

Если "Корона" потелит (а теоретически в этом нет ничего невозможного, осталась лишь инженерия и воплощение в металл) то ее КПД будет 34,3%
Отличный КПД!
Кто-то хочет лучше? А морда не треснит? Бога не гневите!

[Алексей Николаевич.]

в Короне

Хорошенькая она.
Годно с существенными доработками в качестве катера для спуска (и поднятия), на другие планеты.
А большой космолёт конечно остаётся на орбите, или вовсе мимо летит, к следующей планетке.

[alex_semenov]

Хорошенькая она.

"В лесу родилась ёлочка!" (с)

Там ведущая идея - композитный корпус. МАТЕРИАЛЫ!



Почему макеевцы-ракетчики (там давно корпуса уже мотают из композитов) взялись за проект ракеты-носителя (никогда же не делали)!
Ну а клин-сопло. Это уже вторичная изюминка.


Я когда в первый раз КПД посчитал, подумал: что за хрень? Ну как так можно? Немыслимый скачок КПД!
И не стал разбираться...
Но осадочек в душе - остался. И вот теперь понял (сидя в темноте без света и размышляя). Она - ОДНОСТУПЕНЧАТАЯ! А во всех известных ракетах ступенчатость и "садит" начальный и конечный КПД (как бы я не учитывал массу последней выведенной вместе с нагрузкой ступени, всё равно это крохи).

Вы скажете, что это всё фигня. Важно именно отношение полезной нагрузки к затраченной энергии? Ну может быть, может быть...  Но это всё опять таки, что мы считаем? Зачем мы считаем КПД? В частности, что бы понять насколько близко мы находимся к технической асимптоте ИДЕАЛА, к пределу возможного.
Вот паровоз и паровая турбина на ТЭЦ. Как их сравнить? А вот так и сравнивают. Паровоз 10% КПД, а турбина 35%... Есть вообще под 45% (но это уже совсем извращённые системы-лабиринты тепловых потоков)...
Вот ракета в целом - достаточно неплохо подошла к пределу. Ну если бы мы разгоняли ее в вакууме без гравитации до 8 км/с и при этом могли выбирать ей оптимальную скорость истечения (и массовое число 5) то взяли бы 0,62..*8= 4,98 км/с. 5 км/с. И получилибы КПД движителя (ракеты )0,647. Теперь двигатель.
Вот картина маслом для двигателей:



В общем то тоже очень недурно!  0.7-0.8 термический КПД! Не всякая электромашина имеет такой КПД, а тут тепловая машина! Ну куда еще гнать то?
Ну и вот. Идеал (предел) был бы 0.647*0,8=0,51... Больше - бога гневить. Но это если бы чуть-чуть поднять скорость истечения от водорода (на 1 км/с) и если бы как-то избавиться от гравитационных потерь...

[BlackMokona]

Если "Корона" потелит (а теоретически в этом нет ничего невозможного, осталась лишь инженерия и воплощение в металл) то ее КПД будет 34,3%

Её уже больше 30 лет мурыжат, а дальше бумаг дело не двигается

[alex_semenov]

Её уже больше 30 лет мурыжат, а дальше бумаг дело не двигается

Не показатель. Всему - своё время. Главное - проект детально проработан и значит ничего невозможного в ней нет. Надо воплотить "в металл".
Бабки нужно вложить. И всё. А для этого нужна воля. Которая в поле... В поле ведь две воли, так ведь? 

[MenFrame]

Немыслимый скачок КПД!

Только для получения заветных 9,4 км/с короне нужно иметь скорость истечения 5000м/С

[alex_semenov]

Только для получения заветных 9,4 км/с короне нужно иметь скорость истечения 5000м/С

1,4 км/с - это НА ВИСЕНИЕ. То есть на самом деле скорость 8 км/с. Но есть бесполезно растраченная "скорость" 1.4 км/с. В основном гравитационные потери и в основном на первой ступени. 90% - там.

[MenFrame]

1,4 км/с - это НА ВИСЕНИЕ. То есть на самом деле скорость 8 км/с. Но есть бесполезно растраченная "скорость" 1.4 км/с. В основном гравитационные потери и в основном на первой ступени. 90% - там.

Ну так у Короны гравитационных потерь нет что ли?

[Sharkу]

Ну так у Короны гравитационных потерь нет что ли?

Конечно. Нет короны, нет и гравитационных потерь.

[alex_semenov]

Ну так у Короны гравитационных потерь нет что ли?

Почему нет? Есть. Поэтому и КПД у неё всего 34%, а не все 45!
Я как считаю ПОЛЕЗНУЮ работу (к энергии сгорания водорода)? Массу пустой ракеты на РЕАЛЬНО достигрутую ею скорость. А это 8 км/с. Не 9,4...  А заправили ее, наверняка на 9,4 можно же посчитать...

Конечно. Нет короны, нет и гравитационных потерь.

Юность у вас тяжёлая была. Я помню... Юмор отсюда тяжеловатый... Вот и отпечаталась в виде такого вот сарказма.

А если бы "Корону" нарисовали/спроектировали, скажем, японцы? Они ведь могли! Очень даже. Как бы вы к проекту относились?
Абстрагируйтесь. Помните Крылья Хоннеамиз? Вымышленная космонавтика на вымышленной планете...

[alex_semenov]

А заправили ее, наверняка на 9,4 можно же посчитать...

Не нашёл скорости истечения (да она на самом деле будет разной на разных этапах полёта). Если взять "стандартную" для водородных ЖРД 4,5 км/с то получается что при стартовой массе 290 т и сухой 45 тонн дельта-вэ 8,39 км/с. То есть на потери тут совсем немого отведено... Да, надо признать. Или мы лохи что-то недопонимаем на своих салфетках или они лохи что-то недоучли в своих презентациях и великомудрых расчётах. Как вы думаете, кто лохи?

На самом деле оценка 1.4 км/с на все потери взята из вот этой "карты метро"



Ясно что у разных ракет будет разные потери. В частности чем лучше у ракеты отношение тяги на старте к весу на старте, тем меньше у нее те самые гравитационные потери. У Короны предполагаются 488 тс против 290 тонн собственной массы. То есть она должна очень лихо (в сравнении с типичной многоступенчатой ракетой-носителем) подниматься от старта с ускорением 0.68g

В конце концов. Для того чтобы "Корона" по ф. Ц. дала 9.4 км/с (при 4,5 км/с скорости истечения) ей надо иметь на старте 363 тонны. Ну да, надо дозалить еще 73 тонны... ну сделают как сделал Маск. Переохлаждённый кислород... Водорода совсем надо с гулькин нос добавить... Делов то!

[Алексей Николаевич.]

Тот же жидкий газ из бака,(можно для упрощения и не водород), пропускаем через реактор.
Интересно, будет ли сравнимая с ЖРД тяга и вообще возможно ли подобное чудо как старт с земли на этой тяге?
Учитывая новые интереснейшие веяния вроде Буревестника.

[muhserg]

Тот же жидкий газ из бака,(можно для упрощения и не водород), пропускаем через реактор.
Интересно, будет ли сравнимая с ЖРД тяга и вообще возможно ли подобное чудо как старт с земли на этой тяге?
Учитывая новые интереснейшие веяния вроде Буревестника.

У Буревестника дозвуковой ПВРД. Соответственно, КПД низкий.